李軍 丁月里 鄒健（中安信科技有限公司，河北廊坊 065000）

如何減少碳纖維碳化過程中氧和水汽對石墨和碳纖維的氧化

李軍 丁月里 鄒?。ㄖ邪残趴萍加邢薰?，河北廊坊 065000）

聚丙烯腈基碳纖維碳化過程為關鍵過程，低溫碳化爐和高溫碳化爐為關鍵設備，其核心技術是寬口碳化爐及其配套的迷宮密封，防止是空氣和運行絲束中的氧氣和水汽進入碳化爐是生產(chǎn)中的重中之重，一種新式的密封設計徹底解決了此問題，可大大延長碳化爐的使用壽命，并提高碳纖維的力學性能。

碳纖維；碳化爐；迷宮密封；露點和氧含量

在制造聚丙烯腈基碳纖維過程中，碳化過程是一復雜的物理化學變化和結構轉(zhuǎn)化的過程，是在惰性氣體保護下發(fā)生熱分解、熱縮聚過程。其結果使預氧絲的梯形結構轉(zhuǎn)化為碳纖維的亂層石墨結構。

在碳化工段，關鍵設備是碳化爐，核心技術是爐口的設計以及配套的迷宮密封裝置。碳化爐分為低溫碳化爐（300-800℃）和高溫碳化爐（900-1600℃）兩種，兩者形成溫度梯度，使固相碳化循序進行，使結構轉(zhuǎn)化可控進行。兩者的共同特點是在惰性氣氛中進行化學反應，防止爐外空氣向爐內(nèi)滲入是一個核心技術，即高效迷宮密封裝置成為配套的技術關鍵設備之一。特別是碳化爐的爐口寬在1m以上，如此寬的路口密封技術成為設計碳化爐的主要技術難度之一?，F(xiàn)在提出的所謂“大通道”碳纖維生產(chǎn)線，全線幾乎不收幅，這就需要設計寬口碳化爐。開口小的碳化爐，必然形成收幅（由預氧化爐到低溫碳化爐）和擴幅（由高溫爐到表面處理）的現(xiàn)象出現(xiàn)，導致亂位和毛絲、斷絲現(xiàn)象出現(xiàn)，導致碳纖維性能下降，嚴重影響到制取優(yōu)質(zhì)單向預浸料，限制其應用范圍【1】。

碳化是在惰性氣氛中進行熱解和縮聚反應，碳化爐內(nèi)不能有氧的存在。但是仍有微量氧和水汽進入碳化爐內(nèi)。氧和水汽進入碳化爐內(nèi)有三種路徑，即：

(1)擴散進入：在濃差作用下，通過絲束進出口進入爐內(nèi)；

(2)吸附進入：單絲之間吸附或夾帶的空氣隨絲束運行帶入爐內(nèi)，大絲束更為嚴重；

(3)密封高純氮其中的微量氧和水，一般要求氧和水含量應在2ppm以下。

1 傳統(tǒng)的氮氣密封設計

碳化爐兩端的非接觸式迷宮密封裝置就是防止爐外空氣滲入爐內(nèi)和爐內(nèi)廢氣滲到爐外的裝置。傳統(tǒng)碳化爐為臥式碳化爐的非接觸式迷宮密封裝置。擋板之間構成膨脹室，擋板數(shù)在6塊以上，構成5個以上的膨脹室；氮氣入口至少在2個以上，最好是每個膨脹室有一個氮氣入口，氮氣的噴出速度在0.1-1.0m/s之間，噴出氣流方向就目前各國生產(chǎn)的碳化爐基本都為垂直運行絲束方向，遇到平板，產(chǎn)生亂流，吹掃絲束單絲之間吸附或夾帶的空氣，可防止絲束把空氣帶入碳化爐。吹掃效果列于表1，由表1列出的數(shù)據(jù)可知，當N2的噴出速度低于0.1m/s時氣封效果差，爐內(nèi)微量氧含量高達32PPM，露點高達8℃，毛絲數(shù)多；當噴射速度大于1.0m/s時，耗氣量大，氣封效果沒有顯著提高；當N2噴出速度穩(wěn)定在0.5m/s時，氣封吹掃效果較好，而絲束下方為扁平結構的氣封吹掃效果比膨脹室好【2】。

經(jīng)過調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)，碳化爐內(nèi)的微量氧含量仍在10-25ppm之間，露點也在-5℃至8℃之間。這樣的氧含量和露點，在高溫情況下氧和水汽會腐蝕高溫碳化爐的石墨馬弗，降低高溫爐的使用壽命，并且在高溫工況下氧化正在碳化過程中的碳纖維，降低碳纖維的力學性能，導致無法生產(chǎn)出高性能的碳纖維。

表1 迷宮密封機構及密封吹掃結果

2 先進的氮氣密封設計

中安信科技有限公司設計的碳化爐氮氣密封裝置摒棄了原有傳統(tǒng)的單純用對流產(chǎn)生亂流的方式除去進入碳化爐的碳纖維中的氧氣和水汽，傳統(tǒng)的氮氣密封設計氮氣與絲束的運行方式主要為垂直吹風的方式，夾雜在絲束中氧氣和水即使被氮氣吹出來，由于氣流混亂不穩(wěn)定亂串導致部分氧氣和水汽進入爐體內(nèi)，導致石墨被氧化，我們設計的氮氣密封吹風方式采用與絲束有相同的夾角，比之傳統(tǒng)的垂直吹風有以下優(yōu)點：

(1)氮氣密封腔內(nèi)的氮氣流向一致，帶動絲束中微氧和水汽也隨之一致流動；

(2)氮氣流與絲束運行方向為反向，可徹底的除去絲束中微氧和水汽；

(3)氮氣流形成多道向外的氣簾，使外界的空氣無法進入爐內(nèi)。詳見圖一：

圖一

我們采用與絲束不同的夾角，不同風速的情況下進行實驗，統(tǒng)計碳化爐中氧含量和露點的數(shù)據(jù)，詳見表2。由表中可見當N2的噴出速度為0.5m/s時，與絲束夾角為70度時，氣封效果差，爐內(nèi)微量氧含量為12PPM，露點-5℃；當噴射速度0.8m/s時，耗氣量大，氣封效果沒有顯著提高。當N2期噴出速度穩(wěn)定在0.5m/s時，與絲束夾角為45度和40度時，氧含量和露點最好，但是夾角為40度時毛絲較多，且大量的氮氣直接吹出爐外，所以夾角為45度時為最佳。碳化爐入口氮氣密封通過此次改造，大大降低了入口處氧和水汽的含量，降低了對高溫爐的石墨的腐蝕，提高了高溫爐內(nèi)石墨馬弗的壽命，碳纖維的力學性能也提高了5%。

表2 氮氣噴出與絲束的夾角不同的吹掃結果

3 結語

(1)碳化爐氮氣密封吹風與絲束運行垂直除氧和水汽的效果不好，應采取與絲束約45度夾角的向外吹風的方式除氧效果更佳；

(2)除氧氮氣的流向應與絲束的運行方式相反，這樣形成一股穩(wěn)定的向外的氣簾和氣流，可以更容易的將絲束中的空氣帶出爐體外，以防空氣亂串；

(3)碳化過程中低氧含量和露點是生產(chǎn)高性能碳纖維的前提。

[1]賀福.碳纖維及其應用技術[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2004.

[2]賀福，李潤民生產(chǎn)碳纖維的關鍵設備-碳化爐（中國科學院山西煤炭化學研究所，太原030001）.

鄒?。海?978-），男，湖北武漢人，博士，主要從事高強及高模量碳纖維生產(chǎn)及工藝的研究

李軍（1983-），男，山東威海人，本科，主要從事高強及高模量碳纖維生產(chǎn)及設備的研究。

丁月里（1984-），女，湖南衡陽人，本科，主要從事高強及高模量碳纖維生產(chǎn)及設備的研究，碳纖維原絲、碳絲及復材的檢測及研究。